様式 C‑19
科学研究費補助金研究成果報告書
平成
21
年5
月29
日現在研究成果の概要：
本研究では、地下帯水層の貯留層としての性能、あるいは貯留後の超長期に渡る
CO 2
地中貯 留の安全性を評価の実施を目的として、超臨界状態における帯水層内での水CO 2
置換プロセ ス、貯留後の超臨界CO 2
の拡散や流動のプロセスを、非破壊検査法の１つであり、かつ、高精 度の分解能を有するＸ線ＣＴ法により評価分析した。具体的には、Ｘ線ＣＴ法を岩石への超臨 界CO 2
圧入室内実験に適用して圧入・溶解プロセスをＸ線ＣＴスキャナーにより高精度に可視 化し、微視的な視点からCO 2
の岩石内挙動を分析した。交付額
（金額単位：円）
直接経費 間接経費 合 計
2007 年度 2,200,000 0 2,200,000 2008 年度 900,000 270,000 1,170,000
年度 年度 年度
総 計 3,100,000 270,000 3,370,000
研究分野：工学
科研費の分科・細目：総合工学・地球・資源システム キーワード：CO
2
地中貯留､Ｘ線ＣＴ､超臨界CO 2
１．研究開始当初の背景
地球温暖化が原因と考えられている異 常気象が世界各地で発生していることが報 告されている。このような地球規模での気 候変動の要因としては、石炭あるいは石油 といった化石燃料の大量消費によって大気 中に放出された温室効果ガスである二酸化 炭素（CO
2
）の急激な濃度上昇が挙げられ る。日本における大規模なCO 2
排出源とし て、工場などの産業部門および発電所等の エネルギー変換部門が全体の５割弱を占めており、有効な削減対象として注目されて いる。こうした大規模な排出源では集約的 に
CO 2
を集積することが可能であり、これ らを処分する方法として、地下深部の帯水 層にCO 2
を貯留する「地中貯留」が有望視 されている。地中貯留とは難透水性の地層を上部に 持つ帯水層に
CO 2
を貯留する方法である。ここでは、エネルギーコストの観点から深
度
1,000m
程度の帯水層が主な貯留対象となっている。深度に対する地下の温度と圧 研究種目：若手研究（Ｂ）
研究期間：2007〜2008 課題番号：19760587
研究課題名（和文） Ｘ線ＣＴ法による岩石内超臨界 CO2 移行プロセスの高精度分析 研究課題名（英文） Analysis of Migration Process of Super Critical CO2 in the rock by means of X‑ray CT
研究代表者：
佐藤 晃（SATO AKIRA）
熊本大学・大学院自然科学研究科・准教授 研究者番号:40305008
力の増加勾配をそれぞれ
30℃/km
および10.5MPa/km
程度と仮定すると、地下800m
以深の帯水層では温度と圧力がCO 2
の臨界 点を超えており、CO2
は高い圧縮性（気相 的）と大きい密度（液相的）を有する超臨 界状態となる。岩盤内における超臨界CO 2
の挙動に関して、これまで弾性波探査手法 が応用され、岩石試料を用いた検証が行わ れた結果、CO2
の挙動をある程度モニタリ ング可能であることが示されている。また、弾性波探査手法により圧入された
CO 2
の挙 動のみならずCO 2
の貯留量評価も試みら れている。これらの方法は、実フィールド における大規模なCO 2
の挙動モニタリング に応用できる反面、分割された領域での平 均的な現象を見ているに過ぎず、さらに微 視的な現象を捉えるには他の方法を用いる 必要がある。２．研究の目的
本研究では、地下帯水層の貯留層としての 性能、あるいは貯留後の超長期に渡る
CO 2
地 中貯留の安全性を評価の実施を目的として、超臨界状態における帯水層内での水
CO 2
置 換プロセス、貯留後の超臨界CO 2
の拡散や流 動のプロセスを、非破壊検査法の１つであり、かつ、高精度の分解能を有するＸ線ＣＴ法に より評価分析する。具体的には、Ｘ線ＣＴ法 を岩石への超臨界
CO 2
圧入室内実験に適用し て圧入・溶解プロセスをＸ線ＣＴスキャナー により高精度に可視化し、微視的な視点からCO 2
の岩石内挙動を分析する。さらに、従来 から用いられている弾性波探査法による評 価結果を比較検討することにより、実フィー ルドにおけるモニタリング結果の高精度評 価に寄与するとともに、地中におけるCO 2
挙 動シミュレーションの高精度化のための資 料を供することを目的としている。３．研究の方法
(1)
岩石内超臨界CO 2
挙動可視化システムの 開発Ｘ線ＣＴスキャナー内で超臨界状態を安定 的に維持しつつ、Ｘ線ＣＴ撮影が実施可能な 岩石内超臨界
CO 2
挙動可視化システムの開発 に主眼を於いて研究を実施した。具体的には、比較的密度が小さく引張強度の高いカーボ ンファイバー樹脂を用いた圧力容器を設計
図１超臨界
CO 2
貯留装置製作した。
(2)
超臨界CO 2
挙動定量化手法の開発空隙内が超臨界
CO 2
で置換されるプロセス、ならびに置換後の挙動をＸ線ＣＴ画像から 定量化する手法を開発した。また、画像デー タからの高精度変化量抽出法の開発を行い、
超臨界
CO 2
挙動の経時変化求め、Ｘ線ＣＴ画 像データから水→超臨界CO 2
の置換率を評価 する方法を開発した。４．研究成果
本研究では､超臨界
CO 2
の岩石内での圧入･流動の様子を､非破壊検査法の一つである
X
線CT
スキャナー法を用いて可視化し､Ｘ線 ＣＴ画像データから多孔質岩石試料内でのCO 2
の圧入･流動メカニズムを明らかにする とともに､空隙を満たしている水がCO 2
で置 換された量を示す置換率を定義し､岩石の構 造と置換率の関係､圧入方向と置換率の関係 について論じた。まず本研究では､岩石試料内部での
CO 2
流 動現象を産業用Ｘ線ＣＴスキャナーにより 可視化するために､新たにＸ線ＣＴ用超臨界CO 2
流動試験システムを開発した。本試験シ ステムを用いて実験に供されたベレア砂岩 の固有浸透率の測定した結果､堆積層に対し て平行､垂直方向で透水特性に大きな異方性 があることを示した。次 に ､ 本 シ ス テ ム を 用 いて 岩 石 試 料 へ の
CO 2
圧入試験を実施し､その様子をＸ線ＣＴ スキャナーにより可視化した（図２）。原画 像からはCO 2
の挙動を明瞭に判別すること はできなかったが､画像間差分法ならびにデ ータのスタッキングにより､CO2
の圧入によ り空隙内の水がCO 2
に置換の様子をとらえ ることができた。また､この結果より､実際に 岩石試料内部で水がCO 2
に置換された割合､すなわち､置換率
R V
を評価した（図３）。その 結果､固有浸透率の異方性と同様に､置換率 にも異方性があることが明らかになり､同じ 岩石試料であっても堆積層に垂直にCO 2
を図１
CO 2
注入時のＸ線ＣＴ差画像Replaced region
70
190mm
160mm 120mm
140mm
Tomography region
図３ 圧入軸方向の置換率
R V
の分布図４
CO 2
圧入流量による平均置換率R V
の変化
圧入した場合には置換率は
0.4
程度の値を取 り､水平方向に圧入した場合よりも大きいこ とが分かった（図４）。水と
CO 2
の密度差の影響を検討するために､水平方向だけでなく鉛直方向に対して上向 き､下向きの３種類の方向に
CO 2
の圧入を実 施した。その結果､鉛直方向に圧入を行った 場合の方が貯留率がやや大きくなる傾向を 示した。地球環境産業技術研究機構（RITE）で用い ている
CO 2
貯留可能量の算定式から､本研究 で 定 義 し た 置 換 率R V
を 評 価 し た 結 果0.125<R V <0.250
程度であった。しかし､本研 究で用いたベレア砂岩の場合には､圧入方向 によりCO 2
の貯留量が大きく異なっていた。本研究で示したように岩石の異方性などを 事前に評価することにより､より詳細な地中 貯留計画の立案が可能になるものと考えら れる。
５．主な発表論文等
（研究代表者、研究分担者及び連携研究者に は下線）
〔雑誌論文〕（計５件）
①佐藤晃，有水拓人，田中克也，塩手隆志，
Ｘ線ＣＴ法による多孔質岩石内CO
2
流動お よび貯留現象の分析､Journal of MMIJ､掲載 決定済み、(2009)、査読有り②佐藤晃､有水拓人､米村拓峰､澤田淳､Ｘ線Ｃ Ｔ法による亀裂内トレーサー移行プロセス の可視化と分析､Journal of MMIJ､ 掲載決定 済み、(2009)、査読有り
③米村拓峰､佐藤晃､X線CT法による亀裂内お よびマトリクス内部の移流・拡散現象の可 視化､第12回岩の力学国内シンポジウム講 演論文集､Paper No.7(CD-ROM)､
(2008)、査
読有り④有水拓人､田中克也､米村拓峰､佐藤晃､
X
線CT法による水-
空気置換プロセスにおけ る置換率と残留飽和度の評価､第12回岩の 力 学 国 内 シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 論 文 集 ､PaperNo.8(CD-ROM)､ (2008)､査読有り
⑤
A.Sato and A.Sawada, Analysis of tracer migration process in the crack by means of X-ray CT, Proceedings of 11th ISRM Congress, Vol.1, pp.15-18 (2007)
､査読有り〔学会発表〕（計１１件）
①米村拓峰､佐藤晃､X線
CT
法による亀裂内 およびマトリクス内部の移流・拡散現象の 可視化､第12
回岩の力学国内シンポジウム､2008.9､宇部市
②有水拓人､田中克也､米村拓峰､佐藤晃､
X
線CT
法による水-
空気置換プロセスにお ける置換率と残留飽和度の評価､第12
回岩 の力学国内シンポジウム､2008.9､宇部市③田中克也､吉田和晃､佐藤晃､Ｘ線ＣＴ法に よる多孔質岩石内
CO 2
流動現象の可視化､材料学会第５７期学術講演会､2008.05､鹿 児島市
④田中克也､有水拓人､佐藤晃､Ｘ線ＣＴを用 いた多孔質岩石内
CO2
貯留分析､資源・素 材 学 会 九 州 支 部 平 成20
年 度 春 季 例 会 ､2007.5､福岡市
⑤米村拓峰､佐藤晃､菅原勝彦､澤田淳､Ｘ線 ＣＴによるトレーサー移行プロセス分析方 法の開発､資源・素材学会平成
19
年度春季 大会､2007.3.､東京都
⑥有水拓人､米村拓峰､佐藤晃､Ｘ線ＣＴ法に よる岩石内水−空気置換プロセスの可視か と 分 析 ､ 材 料 学 会 第 ５ ６ 期 学 術 講 演 会 ､
2007.05.､名古屋市
⑦有水拓人､米村拓峰､佐藤晃､多孔質岩空隙 内の水−空気置換プロセスの分析､資源・素 材 学 会 九 州 支 部 平 成
19
年 度 春 季 例 会 ､-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 10 20 30 40 50
R ep la ce m en t ra ti o R V
10ml
Location x,mm
-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 5 10 15 20 25
M e an o f R ep la ce m en t ra ti o
Amout of CO
2 injection , ml
Type V
Type P
Case 2
2007.5､福岡市
⑧谷口貴子､緒方奨大､佐藤晃､菅原勝彦､X線
CT
透水試験の画像処理に関する検討､資 源・素材学会九州支部平成19
年度春季例会､2007.5､福岡市
⑨
A. Sato, A Sawada, Analysis of tracer migration process in the crack by means of X-ray CT, ISRM 2007, 2007.7., Lisbon
⑩米村拓峰､有水拓人､緒方奨大､佐藤晃､Ｘ 線ＣＴ法による亀裂内流動現象の可視化と 分析､第
28
回西日本岩盤工学シンポジウム､2007.9､宇部市
⑪佐藤晃､有水拓人､米村拓峰､谷口貴子､緒 方奨大､Ｘ線ＣＴで岩石を"はかる"､資源・
素材学会平成
19
年度秋季大会､2007.9.宇部 市６．研究組織 (1)研究代表者
佐藤 晃（SATO AKIRA）
熊本大学・大学院自然科学研究科・准教授 研究者番号：40305008
(2)研究分担者 (3)連携研究者
